一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)劃分方法的設(shè)計(jì)

摘 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，軟件系統(tǒng)收集和產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)，單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)由于各種限制已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)的要求，必須將數(shù)據(jù)分散在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以達(dá)到存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)、平衡負(fù)載、提高系統(tǒng)可用性的目的。如何將單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)劃分到不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中成為數(shù)據(jù)庫(kù)管理員面臨的首要問(wèn)題。本文提出一種綜合考慮SQL語(yǔ)句、SQL語(yǔ)句執(zhí)行頻率，服務(wù)器性能，數(shù)據(jù)量等多因素的數(shù)據(jù)庫(kù)劃分方法，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)要求，從而為數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)人員劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)提供幫助。

關(guān)鍵字：海量數(shù)據(jù)；關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；劃分

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.138

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，產(chǎn)生了越來(lái)越多的TB級(jí)別的數(shù)據(jù)。雖然研發(fā)出能夠滿(mǎn)足海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)要求NOSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，但是NOSQL數(shù)據(jù)庫(kù)不能夠滿(mǎn)足原子性、一致性、隔離性、持久性的要求[1]，所以系統(tǒng)中關(guān)鍵、核心的數(shù)據(jù)依然必須存放在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中。在通常情況下，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的數(shù)據(jù)量受到數(shù)據(jù)庫(kù)自身、存儲(chǔ)設(shè)備、擴(kuò)展性和系統(tǒng)性能的限制，單個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的數(shù)據(jù)量是有限的，無(wú)法滿(mǎn)足海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)的要求。必須將數(shù)據(jù)分散在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，將這些數(shù)據(jù)庫(kù)作為一個(gè)整體為應(yīng)用提供服務(wù)，以達(dá)到存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)、平衡負(fù)載、提高系統(tǒng)可用性的目的。

將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)分配到不同服務(wù)器的主要方法是垂直劃分和水平劃分[2]。水平數(shù)據(jù)劃分是基于數(shù)據(jù)庫(kù)表的數(shù)據(jù)量，若表的數(shù)據(jù)量超出了單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的容量，則需要將該表中的數(shù)據(jù)拆分到不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中。垂直數(shù)據(jù)劃分是基于數(shù)據(jù)庫(kù)中表與表之間的關(guān)系，若某幾張表之間的聯(lián)系非常緊密，則需要將這些表存放在相同的數(shù)據(jù)庫(kù)中[3]。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理員劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，雖然會(huì)同時(shí)使用水平數(shù)據(jù)劃分和垂直數(shù)據(jù)劃分的理念，但是沒(méi)有特別有效地方法給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，使得數(shù)據(jù)的劃分在很大程度上依賴(lài)數(shù)據(jù)庫(kù)管理員的經(jīng)驗(yàn)以及大量的測(cè)試。在劃分的過(guò)程中，通常為了獲得良好的系統(tǒng)性能，數(shù)據(jù)庫(kù)管理員必須頻繁更改數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和測(cè)試，這樣即浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力，又不一定能夠獲得良好的效果。在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)劃分方法研究中，都是基于某次操作代價(jià)或者數(shù)據(jù)庫(kù)本身的主外鍵關(guān)系，考慮的方面較為單一，不能綜合考慮到程序運(yùn)行時(shí)狀態(tài)、充分發(fā)揮服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)的性能。正是由于這樣的問(wèn)題，使得這些方法缺乏普適性，不具有推廣和應(yīng)用的價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)化分方法概述

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種綜合考慮各種影響數(shù)據(jù)庫(kù)切分的因素，如SQL語(yǔ)句、SQL語(yǔ)句的執(zhí)行頻率、表數(shù)據(jù)量信息、服務(wù)器的配置信息、數(shù)據(jù)庫(kù)信息，通過(guò)一定的估算，自動(dòng)生成數(shù)據(jù)庫(kù)各表之間的依賴(lài)關(guān)系、數(shù)據(jù)庫(kù)劃分建議，幫助數(shù)據(jù)庫(kù)管理人員做數(shù)據(jù)庫(kù)的劃分。同時(shí)考慮到在數(shù)據(jù)庫(kù)劃分之后，數(shù)據(jù)庫(kù)管理員還需要修改大量已有的SQL語(yǔ)句、分配機(jī)器，為了緩解數(shù)據(jù)庫(kù)管理員的負(fù)擔(dān)，該算法還提供自動(dòng)生成每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的建表語(yǔ)句的功能。該算法的大致流程如圖1所示：

2 算法主要考慮的因素

影響數(shù)據(jù)庫(kù)切分的因素主要分為五類(lèi)大類(lèi)，分別是SQL語(yǔ)句、SQL語(yǔ)句的執(zhí)行頻率、表數(shù)據(jù)量信息、服務(wù)器的配置信息、數(shù)據(jù)庫(kù)信息。下邊介紹這些因素與該算法的關(guān)系。

2.1 SQL語(yǔ)句

SQL是一種數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，用于存取數(shù)據(jù)以及查詢(xún)、更新和管理關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[4]。SQL語(yǔ)句，它反映數(shù)據(jù)庫(kù)表與表之間，表中字段的值之間的靜態(tài)關(guān)系。在該算法中，主要使用SQL語(yǔ)句分為兩大類(lèi)：

2.1.1 SQL建表語(yǔ)句

SQL語(yǔ)句的建表語(yǔ)句主要用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)中的表。建表語(yǔ)句即包含反應(yīng)表與表之參照完整的主外鍵關(guān)系，也包含了反應(yīng)表中字段中的取值的關(guān)系。主外鍵關(guān)系在數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行insert、update、delete語(yǔ)句時(shí)，會(huì)被使用到；段中的取值的關(guān)系unique，在數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行insert語(yǔ)句時(shí)會(huì)被使用到。

2.1.2 SQL函數(shù)、存儲(chǔ)過(guò)程、觸發(fā)器、程序中的SQL語(yǔ)句

SQL函數(shù)、存儲(chǔ)過(guò)程、觸發(fā)器、程序中的SQL語(yǔ)句主要用于操作數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。它們包含的join語(yǔ)句反映了表與表之間關(guān)系[5]。

2.2 SQL語(yǔ)句的執(zhí)行頻率

SQL語(yǔ)句在程序的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，會(huì)被不斷地調(diào)用，SQL語(yǔ)句執(zhí)行的頻率，在一定程度上反映數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行時(shí)表與表之間，表中字段的值之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。一般情況下，某個(gè)SQL語(yǔ)句的執(zhí)行次數(shù)越多，則包含在該SQL語(yǔ)句中的表之間的聯(lián)系越緊密。

2.3 表數(shù)據(jù)量信息

預(yù)估的數(shù)據(jù)量，即數(shù)據(jù)庫(kù)所需要承載的數(shù)據(jù)量的大小，也反映了涉及該表的SQL語(yǔ)句的執(zhí)行時(shí)間。當(dāng)一個(gè)表的數(shù)據(jù)量超過(guò)了單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)所能容納的最大限度時(shí)，則需要對(duì)其進(jìn)行水平切分，將同一個(gè)表中的數(shù)據(jù)放到其他的數(shù)據(jù)庫(kù)中。如果一個(gè)表的數(shù)據(jù)量越大，則涉及該表的SQL語(yǔ)句的執(zhí)行時(shí)間的操作時(shí)間越長(zhǎng)。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)信息

數(shù)據(jù)庫(kù)種類(lèi)信息，反映了數(shù)據(jù)庫(kù)的性能。它要包括數(shù)據(jù)庫(kù)種類(lèi)和數(shù)據(jù)庫(kù)配置信息兩類(lèi)。不同的數(shù)據(jù)庫(kù)有著不同的句法規(guī)則、不同的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)方式，所以在分析SQL語(yǔ)句語(yǔ)法規(guī)則和SQL語(yǔ)句執(zhí)行代價(jià)時(shí)，必須明確數(shù)據(jù)庫(kù)的種類(lèi)。相同的數(shù)據(jù)庫(kù)，在不同配置的情況下，能夠發(fā)揮出的性能也是不同的，所以數(shù)據(jù)庫(kù)的配置在一定程度上決定了數(shù)據(jù)庫(kù)的性能，合理的配置數(shù)據(jù)庫(kù)，可以提高數(shù)據(jù)庫(kù)的性能。

2.5 服務(wù)器的配置信息

服務(wù)器配置信息，反映了服務(wù)器性能的強(qiáng)弱。在配置信息中，起到?jīng)Q定性左右的是CPU，內(nèi)存和硬盤(pán)。CPU決定了服務(wù)器處理指令的能力，內(nèi)存決定了數(shù)據(jù)庫(kù)可以使用的緩存的大小，硬盤(pán)決定了數(shù)據(jù)庫(kù)中可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量的多少。

3 算法的主要流程詳解

3.1 配置相應(yīng)的參數(shù)

將影響數(shù)據(jù)庫(kù)切分的主要因素，寫(xiě)成相應(yīng)的配置文件輸入到系統(tǒng)中。

3.2 生成主外鍵關(guān)系矩陣和特殊數(shù)據(jù)項(xiàng)表

基于對(duì)SQL建表語(yǔ)句的分析，可以得到主外鍵依賴(lài)矩陣和特殊數(shù)據(jù)項(xiàng)表。算法流程如下所示：

（1）設(shè)一共有n張表格，建立主外鍵依賴(lài)矩陣ReferencesDataRelation[n][n]，ReferencesDataRelation[i][j]表中的第i行第j列代表第i張表的外鍵在第j張表中，其值代表i與表j做連接操作的代價(jià)，為數(shù)據(jù)量的乘積，所有的初始值為0；

（2）設(shè)在所有的建表語(yǔ)句中包含m個(gè)設(shè)置為unique的字段，建立特殊數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)組specificItem[m]，每個(gè)項(xiàng)中標(biāo)示第i張表與表中第k個(gè)字段被設(shè)置為unique。如第四張表的第三個(gè)字段被設(shè)置為unique，則specificItem[m]中某項(xiàng)的值為4_3；

（3）依次讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的建表語(yǔ)句，按照數(shù)據(jù)表讀入的次序，從0開(kāi)始對(duì)表進(jìn)行編號(hào)；

（4）查找建表語(yǔ)句中是否包含設(shè)置為unique的字段，如果沒(méi)有，則轉(zhuǎn)到6；

（5）獲取表的編號(hào)i，字段的編號(hào)k，將specificItem表中的某個(gè)可使用的位置設(shè)置為i_k；

（6）讀取數(shù)據(jù)庫(kù)建表語(yǔ)句，如果沒(méi)有，則轉(zhuǎn)到10；

（7）查看該語(yǔ)句中是否包含反應(yīng)主外鍵的關(guān)鍵字references，如果沒(méi)有，轉(zhuǎn)到8；

（8）獲取表的編號(hào)，設(shè)兩個(gè)表的編號(hào)分別為i，j；

（9）讀取預(yù)估主表的數(shù)據(jù)量為l和h，將二維矩陣的對(duì)應(yīng)于表編號(hào)的位置ReferencesDataRelation[i，j]和ReferencesDataRelation[j，i]的位置設(shè)置為l*h；

（10）轉(zhuǎn)到3；

（11）結(jié)束。

3.3 計(jì)算表與表之間的依賴(lài)關(guān)系

表與表之間的動(dòng)態(tài)的關(guān)系主要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中執(zhí)行SQL語(yǔ)句、SQL語(yǔ)句執(zhí)行的頻率和表的數(shù)據(jù)量反映出。根據(jù)一定的計(jì)算，得出表與表之間的依賴(lài)關(guān)系。具體的算法流程如下所示：

（1）根據(jù)歷史的統(tǒng)計(jì)情況，估算每個(gè)SQL語(yǔ)句在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所占的比例；

（2）建立表與表之間的依賴(lài)關(guān)系矩陣SQLReleation[n][n]，SQLReleation[i][j]表中的第i行第j列代表表i與表j的關(guān)系的緊密程度，其值為表i與表j之間所有的SQL語(yǔ)句執(zhí)行的代價(jià)與SQL語(yǔ)句戰(zhàn)系統(tǒng)中運(yùn)行比例的乘積，矩陣中所有項(xiàng)所有的初始值為0；

（3）讀取一個(gè)SQL語(yǔ)句，如果沒(méi)有，則轉(zhuǎn)到9；

（4）并建立語(yǔ)法樹(shù)；

（5）自下到上，根據(jù)各表的數(shù)據(jù)量和語(yǔ)句類(lèi)型，預(yù)估計(jì)算每一層的運(yùn)算代價(jià)，設(shè)為n。標(biāo)注層是由那些表的操作生成的。如果在某一層遇到j(luò)oin語(yǔ)句，則查找兩個(gè)參與join運(yùn)算的表i，j的數(shù)據(jù)量，分別為k，l，并得出運(yùn)算的代價(jià)k*l；

（6）讀取該SQL語(yǔ)句的執(zhí)行頻率r；

（7）將SQLReleation[i][j]和SQLReleation[i][j]中的值設(shè)置為SQLReleation[i][j]=SQLReleation[j][i]=SQLReleation[j][i]+k*i*r；

（8）轉(zhuǎn)到3；

（9）結(jié)束。

3.4 垂直劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)

依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)垂直劃分的概念，需要基于數(shù)據(jù)庫(kù)中表與表的關(guān)系，將不同的數(shù)據(jù)庫(kù)表保存在分布于不同服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例中[2]。在第三步驟中，已經(jīng)得到表示表與表之間的關(guān)系強(qiáng)弱的矩陣，該矩陣為對(duì)稱(chēng)矩陣。將該矩陣抽象為一個(gè)帶權(quán)無(wú)向圖，圖的定點(diǎn)代表，圖的邊上的權(quán)重代表與表之間關(guān)系的強(qiáng)弱。根據(jù)圖的可達(dá)性算法[5]，求出每個(gè)可達(dá)的閉包。如果閉包過(guò)大，則可以設(shè)置一定的閾值，對(duì)閉包進(jìn)行拆分，最終完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的垂直切分。算法如下所示：

（1）求出該矩陣中所有數(shù)據(jù)之和，并求平均值，作為管理員劃分的閾值的參考；

（2）管理員輸入表示忽略表與表之間關(guān)系的下限的數(shù)值和閉包拆分的數(shù)值；

（3）將矩陣中所有小于表與表之間關(guān)系的下限的數(shù)據(jù)設(shè)置為0；

（4）根據(jù)矩陣可達(dá)性算法，求出每一個(gè)可達(dá)閉包；

（5）輸入一個(gè)閉包，如果沒(méi)有則轉(zhuǎn)到9；

（6）輸出所有的可達(dá)閉包以及閉包中表與表之間的權(quán)重；

（7）如果該閉包中的所有的權(quán)重之和大于閉包拆分的閾值，則將改閉包拆分，生成新的閉包。將新生成的閉包加入需要檢驗(yàn)的閉包中；

（8）轉(zhuǎn)到5；

（9）結(jié)束。

3.5 水平劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)

水平數(shù)據(jù)劃分主要是表基于數(shù)據(jù)量的大小，將同一張表中的數(shù)據(jù)分布在不同的數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中[6]。在算法五中，求得垂直劃分后哪些表應(yīng)該放在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)量過(guò)大時(shí)，也需要對(duì)這些表進(jìn)行水平劃分。在該算法中以閉包中所有表的數(shù)據(jù)量、服務(wù)器的配置，數(shù)據(jù)庫(kù)的配置為基數(shù)，將閉包中的所有的表作為一個(gè)整體進(jìn)行劃分。算法如下：

（1）依據(jù)服務(wù)器的配置和數(shù)據(jù)庫(kù)的參數(shù)，計(jì)算每臺(tái)服務(wù)器可以承載的最大數(shù)據(jù)量，以及所有機(jī)器能夠承載數(shù)據(jù)總量。并將所有的機(jī)器按照承載數(shù)據(jù)量的能力，由大到小排序，排序后的結(jié)果為機(jī)器名稱(chēng)與該機(jī)器承載能力的對(duì)，設(shè)為，.........（M+數(shù)字代表機(jī)器的名稱(chēng)，A+數(shù)字代表機(jī)器所能承載的數(shù)據(jù)量，其中A1>A2>.......）；

（2）對(duì)由算法五生成的每個(gè)閉包，求出每個(gè)閉包的總數(shù)據(jù)量以及所有數(shù)據(jù)量的和；

（3）計(jì)算剩余服務(wù)器所能承載的數(shù)據(jù)量以及所有閉包的總數(shù)據(jù)量，如果所有機(jī)器能夠承載的數(shù)據(jù)總量小于表的數(shù)據(jù)量，則轉(zhuǎn)到8；

（4）按照數(shù)據(jù)量，對(duì)閉包從大到小進(jìn)行排序。排序后，對(duì)閉包進(jìn)行編號(hào)。得到編號(hào)與閉包的數(shù)據(jù)量的對(duì)，<1，B1>，<2，B2>，.......（數(shù)字為閉包的編號(hào)，B+數(shù)字為數(shù)據(jù)量的大小，其中B1>B2>.....）；

（5）取出一個(gè)閉包，如果沒(méi)有則轉(zhuǎn)到8；

（6）按照從大到小的順序，取出一個(gè)閉包設(shè)為m，依次檢索每臺(tái)機(jī)器，找到與大于并且最為接近該閉包數(shù)據(jù)量服務(wù)器序列。如果可以找到，則將所有的數(shù)據(jù)都放在該機(jī)器上，并將還有剩余空間的機(jī)器所能承載的數(shù)據(jù)量設(shè)置為當(dāng)前能承載的數(shù)據(jù)量減去放置在該服務(wù)器中的數(shù)據(jù)量。并將該服務(wù)器編號(hào)插入到服務(wù)器隊(duì)列中。轉(zhuǎn)到3；

（7）輸出每臺(tái)機(jī)器上的表的閉包；

（8）結(jié)束。

3.6 生成每臺(tái)機(jī)器的建表語(yǔ)句

根據(jù)垂直和水平劃分的結(jié)果，生成每臺(tái)服務(wù)器的建表語(yǔ)句。從而幫助數(shù)據(jù)庫(kù)管理員處理數(shù)據(jù)劃分后的建立數(shù)據(jù)庫(kù)的問(wèn)題。主要是依據(jù)SQL建表語(yǔ)句以及步驟六所得的每臺(tái)機(jī)器上的表分配信息。算法如下：

（1）讀取原有數(shù)據(jù)庫(kù)建表語(yǔ)句，并對(duì)表進(jìn)行編號(hào)；

（2）讀取所有服務(wù)器的信息，并對(duì)服務(wù)器進(jìn)行編號(hào)；

（3）讀取某一個(gè)閉包，如果沒(méi)有則轉(zhuǎn)到9；

（4）設(shè)閉包中的表為（A，B，C，D，E），獲取閉包中所有表的建表語(yǔ)句和放置該閉包數(shù)據(jù)的服務(wù)器信息；

（5）讀取閉包中的一個(gè)建表表語(yǔ)句，如果沒(méi)有則轉(zhuǎn)到7；

（6）設(shè)讀取到A的建表語(yǔ)句，檢索到建表語(yǔ)句中與表A存在主外鍵關(guān)系的表K，如果K在閉包中且該閉包分配到一臺(tái)服務(wù)器中，則保留reference語(yǔ)句，如果k不在閉包中或改閉包分配到多個(gè)服務(wù)器中，則刪除reference語(yǔ)句；

（7）將修改后的建表語(yǔ)句存放到對(duì)應(yīng)的服務(wù)器建表語(yǔ)句中，轉(zhuǎn)到5；

（8）轉(zhuǎn)到3；

（9）輸出所有機(jī)器的建表語(yǔ)句。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上是本文提出的綜合考慮各種影響數(shù)據(jù)庫(kù)切分的因素，如SQL語(yǔ)句、SQL語(yǔ)句的執(zhí)行頻率、表數(shù)據(jù)量信息、服務(wù)器的配置信息、數(shù)據(jù)庫(kù)信息，通過(guò)一定的算法得到數(shù)據(jù)庫(kù)劃分建議、分配服務(wù)器、創(chuàng)建新的建表語(yǔ)句。該算法可以有效地為數(shù)據(jù)庫(kù)管理員劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)提供參考，減輕數(shù)據(jù)庫(kù)管理員的工作量，提高了劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的效率。

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作者簡(jiǎn)介：李書(shū)攀（1986-），男，河南南陽(yáng)人，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)教學(xué)。

作者單位：南陽(yáng)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng) 473061